Qu’est-ce qu’une thermopompe ?

PAR DAVE DEMMA

Voici Quelques Principes Fondamentaux De Fonctionnement Des Thermopompes

L’invention de la thermopompe a été attribuée à l’Américain

Robert C. Webber, et elle l’aurait été par hasard. En effet, on relate qu’à la fin des années 1940, M. Webber travaillait sur son congélateur. Il aurait accidentellement touché les « tuyaux de sortie du système de refroidissement » (la conduite de refoulement) et se serait brûlé la main. Cet événement lui a donné l’idée de vérifier si la mécanique pouvait être inversée. Il a donc procédé à quelques modifications sur son appareil, comme on peut le lire sur Internet : « il a raccordé la tuyauterie de sortie du congélateur à un chauffe-eau et, comme le congélateur produisait un excès de chaleur constant, il a branché l’eau chauffée à une boucle de tuyauterie ». Un petit ventilateur a été utilisé pour transférer la chaleur de l’eau chaude vers l’air, et le tour était joué, la thermopompe était née.

Selon la deuxième loi de la thermodynamique de Lord Kelvin, la chaleur se déplace toujours d’une zone plus chaude vers une zone plus froide. M. Webber a vu cela comme un « pompage » de la chaleur d’une zone plus chaude vers une zone plus froide, d’où le terme « thermopompe » (ou pompe à chaleur).

Après avoir constaté le succès de son invention, il a construit une thermopompe pleine grandeur pour fournir de la chaleur à toute sa maison. Sa conception utilisait des tubes en cuivre enterrés dans le sol à travers lesquels il faisait passer du frigorigène pour recueillir la chaleur du sol. Le gaz était condensé dans sa cave, fournissant de la chaleur à toute la maison. Maintenant, en prenant l’idée initiale de M. Webber et en l’appliquant à une unité de climatisation typique – avec l’ajout de quelques modifications – vous obtenez une thermopompe résidentielle/commerciale moderne.

Selon la deuxième loi de la thermodynamique de Kelvin, le processus de soufflage d’air chaud à travers un serpentin à tube à ailettes, avec un fluide froid (frigorigène) circulant dans le tube, entraînera un transfert de chaleur de l’air vers le fluide. Cette opération aura pour effet d’abaisser la température de l’air dans le local conditionné et nous obtiendrons ce que nous appelons du « refroidissement ». L’objectif du cycle de compression de vapeur dans un système de réfrigération/ climatisation est de fournir une source continue de frigorigène liquide froid à un serpentin à tube à ailettes (évaporateur), ce qui se traduira par une capacité continue à transférer la chaleur de la zone réfrigérée.

Voici un résumé du cycle en sept étapes :

1. La v apeur de frigorigène surchauffée à basse pression, contenant la chaleur de la zone réfrigérée, s’écoule de l’évaporateur vers le compresseur.

2. Le compresseur « comprime » la vapeur en une vapeur à haute pression.

3. L e processus de compression ajoute de la chaleur à la vapeur de frigorigène, ce qui produit une vapeur à haute pression et à haute température (surchauffée) en partance du compresseur.

4. La v apeur de frigorigène surchauffée sort du compresseur et s’écoule dans un serpentin à ailettes (condenseur). L’air circule à travers le condenseur, transférant le contenu calorifique de la vapeur à l’air.

5. La t empérature de la vapeur à haute pression surchauffée est réduite. Elle subit un changement de phase et devient un liquide chaud.

6. L e liquide chaud s’écoule vers le détendeur et subit une chute de pression. Cela abaisse sa température jusqu’au point de saturation correspondant à la nouvelle pression de liquide inférieure.

7. C e liquide saturé à basse pression et à basse température s’écoule à travers un serpentin à tube à ailettes (évaporateur) situé dans la zone réfrigérée. L’air qui s’y trouve est transféré au frigorigène liquide, provoquant un changement d’état en vapeur. Tout le liquide doit changer d’état en vapeur avant de sortir du tube de l’évaporateur, ce qui entraîne une vapeur froide s’écoulant vers l’entrée du compresseur.

En termes simples, le cycle transfère la chaleur de la zone réfrigérée au frigorigène. Pour que le cycle de compression de vapeur devienne un cycle à répétition continue, la chaleur de la zone conditionnée doit être transférée du frigorigène. Cela se produit au niveau du condenseur situé à un endroit où la température ne présente pas un problème (à l’extérieur). Le frigorigène peut alors recommencer le cycle pour lui permettre d’être utilisé pour transférer la chaleur de la zone réfrigérée encore et encore.

Un système de refroidissement standard transfère la chaleur de la zone climatisée (refroidie) en abaissant la température dans la zone. Cette chaleur transférée au frigorigène, plus la chaleur ajoutée au frigorigène pendant le processus de compression sont transférées à l’air extérieur par le biais du condenseur.

La thermopompe transfère également la chaleur de la zone climatisée, mais dans une application de thermopompe, la zone climatisée se situe maintenant à l’extérieur. Ainsi, l’évaporateur est désormais situé à l’extérieur. Ici, la chaleur transférée au frigorigène plus la chaleur ajoutée au frigorigène pendant le processus de compression sont transférées à l’air dans la zone conditionnée par le biais du condenseur.

Ainsi, la thermopompe n’est rien de plus qu’un cycle de compression de vapeur de base utilisé dans un système de climatisation, auquel on ajoute des commandes et des vannes pour permettre au réseau d’évacuer la chaleur de la zone climatisée (et de la transférer vers l’extérieur) ou d’évacuer la chaleur de l’extérieur (et de la transférer vers la zone climatisée).

Ainsi, plutôt qu’un évaporateur et un condenseur distincts, nous avons maintenant deux serpentins à double usage : un serpentin « intérieur » et un serpentin « extérieur ». Il s’agit du même processus de compression de vapeur, mais l’évaporateur et le condenseur ont changé de place. Nous éliminons la chaleur de l’extérieur et la transférons à la zone intérieure.

Lorsque le local à climatiser nécessite du refroidissement, le serpentin intérieur fonctionne comme un évaporateur et le serpentin extérieur fonctionne comme un condenseur. Lorsque le local à climatiser nécessite du chauffage, le flux de frigorigène est inversé, permettant au refoulement du compresseur de s’écouler vers le serpentin intérieur, où il fonctionne comme un condenseur. L’inversion du flux de frigorigène s’effectue à l’aide d’une vanne d’inversion à quatre voies (voir Figure 1 ).

La vanne d’inversion est située dans la conduite de refoulement entre la sortie du compresseur et l’entrée du serpentin extérieur. Une électrovanne (non illustrée), lorsqu’elle est alimentée, permet à la vanne de « passer » d’une position à une autre. En mode hors tension, le frigorigène s’écoule de l’orifice de refoulement du compresseur vers l’entrée du serpentin extérieur. Les deux autres orifices permettent à la vapeur de frigorigène du serpentin intérieur de s’écouler vers l’orifice d’aspiration du compresseur (voir Figure 2 ).

Lorsque la température dans la zone climatisée tombe en dessous du réglage de température de chauffage minimum du thermostat, la séquence d’événements suivante se produit :

1. L orsque le thermostat est réglé en mode chauffage, la vanne d’inversion est alimentée.

2. La borne « Y » du thermostat alimente le contacteur du compresseur, démarrant le compresseur et le ventilateur extérieur.

3. La bor ne « G » du thermostat alimente le moteur du ventilateur du serpentin intérieur, ce qui démarre le moteur.

L’unité est maintenant en mode chauffage. Le débit de frigorigène à travers la vanne d’inversion est illustré à la Figure 3 .

Autres Modifications

Plusieurs autres modifications sont nécessaires dans le circuit de frigorigène pour permettre une circulation inversée du flux dans une thermopompe sans occasionner de problème. En voici un aperçu.

Filtre-déshydrateur de liquide –Le filtre-déshydrateur doit être raccordé sur la conduite de liquide commune entre le serpentin intérieur et le serpentin extérieur. Compte tenu de la nature d’une thermopompe, le frigorigène liquide s’écoulera de la sortie du serpentin extérieur vers l’entrée du serpentin intérieur en mode climatisation, et de la sortie du serpentin intérieur vers l’entrée du serpentin extérieur en mode chauffage. Ainsi, un filtre-déshydrateur standard ne peut pas être utilisé dans cette application. Il devra s’agir d’un modèle capable d’éliminer les contaminants